Faculté des sciences de base SB, Section de physique, Centre de recherches en physique des plasmas CRPP (CRPP Association Euratom CRPP-AE)

Étude du transport d'énergie thermique dans les plasmas du tokamak à configuration variable au moyen de chauffage électronique cyclotronique

Camenen, Yann ; Pochelon, Antoine (Dir.)

Thèse sciences Ecole polytechnique fédérale de Lausanne EPFL : 2006 ; no 3618.

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    Summary
    The development of controlled thermonuclear fusion, a quasi-unlimited energy source suitable for large scale electricity production, is one of the main goals of plasma physics research. Among the directions explored to date, the use of toroidal devices called tokamaks to create and confine hot plasmas using strong magnetic fields is particularly promising. The energy used to heat the plasma must remain well confined in order to achieve plasma temperatures higher than one hundred millon degrees for a sufficiently long period to obtain numerous fusion reactions. In the frame of efficient electricity production, maximising the energy confinement is also essential to achieve the required temperature with the lowest heating power. In tokamak plasmas, energy losses are mainly due to radiation and radial energy transport from the plasma core to the edge. A significant fraction of plasma physics research is therefore dedicated to the study of radial transport in tokamaks and the exploration of new operation regimes characterised by a low transport level. The development and optimisation of diagnostics used to observe plasmas is also part of this work. This thesis work, performed on the Tokamak à Configuration Variable (TCV) in Lausanne, covers the implementation and exploitation of a multi-channel soft X-ray detector with high spatial and temporal resolution, together with the development of the tomographic inversion routines used for data analysis. The detector, comprised of two superposed wire chambers, has been tested and calibrated using an X-ray source and then installed onto the tokamak. The position of the detector was chosen such as to observe the whole plasma cross-section with maximum spatial resolution leading to high quality tomographic inversions. A mobile absorber holder was installed between the plasma and the wire chambers. The energy range of the soft X-ray emission observed by the detector was thus chosen by selecting the appropriate absorber. These various features have made possible the use of the detector for numerous studies and in particular for the spatial and temporal characterisation of the plasma internal transport barrier formation. Plasma shaping abilities covering a wide range of plasma elongations and triangularities, including negative values, are one of the strengths of the TCV tokamak. For instance, plasmas with elongated cross-sections offer higher energy confinement as well as higher plasma current and pressure limits. However, the increase of the plasma vertical instability growth rate with elongation makes the vertical control of elongated plasmas difficult, in particular if the plasma current profile is too peaked. As the current profile is usually peaked for low plasma currents, current profile broadening is required there to achieve high elongation. During this thesis, a current profile broadening method based on temperature profile modification by localised EC heating has been studied in detail. The mechanism of this method has been documented and the optimal conditions for the EC power deposition determined. Using these conditions, the TCV operational space has been extended towards higher elongation at low current. The highest elongation obtained at low current has been increased by over 25% permitting the exploration of the plasma transport properties in this regime. The flexibility of the TCV EC heating system has also been used to investigate radial electron heat transport in L-mode plasmas. For the first time, the normalised temperature gradient has been varied by a factor of four and its influence on electron heat transport has been separated from that of the electron temperature. Electron heat transport increases strongly with the normalised temperature gradient, for values between 6 and 10, and then becomes independent of this parameter. In addition, electron heat transport increases with increasing electron temperature, decreasing density and increasing effective charge. The electron heat transport dependence on these three parameters can be cast as a single dependence on the plasma collisionality. TCV shaping abilities have then been used to test the influence of plasma triangularity. The main variations of the level of electron heat transport are described by a decrease of the electron heat diffusivity towards negative triangularity and high collisionality. At constant collisionality, electron heat transport is two times lower at a negative triangularity of –0.4 than at a positive triangularity of +0.4. Concerning micro-instabilities, gyro-fluid and gyro-kinetic simulations indicate that TEM and ITG instabilities are at play in these plasmas. The good qualitative agreement between the observed experimental dependencies and the predictions of simulations suggests strongly that the TEM instabilities are involved in the transport of electron heat. The experimental study provides dependable scaling of the electron heat transport on plasma parameters that can now be used to test the prediction of transport simulations. New elements such as the saturation of electron heat transport at high values of the normalised temperature gradient and the decrease of electron heat transport towards negative triangularities have been demonstrated.
    Résumé
    Le développement de la fusion thermonucléaire contrôlée, une source d'énergie adaptée à la production d'électricité à grande échelle et dont les ressources sont quasiment illimitées, fait partie des objectifs principaux de la recherche en physique des plasmas. Une des voies explorées, particulièrement prometteuse à ce jour, consiste à exploiter des machines toroïdales appelées tokamaks pour créer des plasmas, les confiner à l'aide de champs magnétiques intenses et les chauffer jusqu'à des températures dépassant cent millions de degrés. Afin d'atteindre de telles températures et de les maintenir suffisamment longtemps pour que les particules chargées du plasma subissent de nombreuses réactions de fusion, il est primordial que l'énergie de chauffage reste bien confinée. Qui plus est, dans la perspective d'une utilisation efficace de la fusion thermonucléaire contrôlée à des fins industrielles, il est également essentiel de maximiser le confinement de l'énergie, ceci pour pouvoir atteindre les températures requises à l'aide d'une puissance de chauffage minimale. Dans les plasmas de tokamaks, les pertes d'énergies sont principalement provoquées par le rayonnement des particules et par le transport radial de l'énergie du centre vers le bord du plasma. Les instituts de recherche en physique des plasmas consacrent donc une part conséquente de leurs efforts à l'étude des mécanismes responsables du transport radial dans les tokamaks et à l'exploration de nouveaux régimes de fonctionnement caractérisés par un faible niveau de transport. Le développement et l'optimisation de diagnostics permettant l'étude détaillée des plasmas fait partie intégrante de ces efforts. La présente thèse, effectuée sur le Tokamak à Configuration Variable (TCV) de Lausanne, comprend la mise en place et l'exploitation d'un détecteur multicanaux de rayons X mous à haute résolution spatiale et temporelle, ainsi que le développement de routines d'inversion tomographique utilisées pour l'analyse des signaux mesurés. Avant son installation sur le tokamak, le détecteur, constitué de deux chambres à fils superposées, a été testé et étalonné à l'aide d'une source X. La position du détecteur a été modifiée de manière à pouvoir observer toute la section du plasma avec une résolution spatiale maximale et optimiser ainsi les performances de la routine d'inversion tomographique. Une tirette mobile a été installée entre le plasma et les chambres à fils et permet désormais de choisir la gamme d'énergie du rayonnement X mou observé en sélectionnant l'absorbant approprié. Ces diverses contributions ont rendu possible l'utilisation du détecteur pour de nombreuses études et en particulier pour la caractérisation spatiale et temporelle de la formation des barrières de transport. Un des atouts du tokamak TCV est sa capacité à modifier et contrôler la forme de la section du plasma sur une large gamme d'élongations et de triangularités, y compris négatives. Les plasmas allongés possèdent notamment des qualités intéressantes en terme de confinement de l'énergie, limites de courant et de pression. Le contrôle de la position des plasmas allongés est cependant délicat car le taux de croissance de l'instabilité verticale du plasma augmente avec son élongation. L'effet est encore plus marqué pour les plasmas dont le profil de courant est piqué, tels que les plasmas réalisés à bas courant. L'élargissement du profil de courant est alors indispensable pour pouvoir stabiliser verticalement les plasmas fortement allongés. Au cours de cette thèse, une méthode d'élargissement du profil de courant, basée sur la modification du profil de température par un dépôt localisé de puissance de chauffage EC a été étudiée en détail. Le mécanisme de la méthode a été mis en évidence et les conditions optimales du dépôt de puissance ont été déterminées. L'utilisation de ces conditions optimales a permis l'extension du domaine d'opération de TCV à bas courant vers les hautes élongations. L'élongation maximale atteinte pour les bas courants a ainsi pu être augmentée de plus de 25% et il est désormais possible d'explorer les propriétés du transport dans ces conditions. La flexibilité du système de chauffage EC de TCV a également été exploitée pour étudier les propriétés du transport radial d'énergie thermique dans les plasmas en mode de confinement standard (mode L). Pour la première fois le gradient normalisé de température électronique a été varié d'un facteur quatre et son influence sur le transport d'énergie thermique a pu être découplée de celle de la température. L'étude montre que le transport d'énergie thermique augmente fortement avec le gradient normalisé de température pour des valeurs comprises entre 6 et 10 environ, puis devient indépendant de ce paramètre. Qui plus est, l'augmentation de la température, ainsi que la diminution de la densité et de la charge effective provoquent une augmentation du transport d'énergie thermique. L'influence de ces trois paramètres peut être regroupée en une dépendance unique sur la collisionalité du plasma. Les capacités de modification de la forme du plasma de TCV ont ensuite été exploitées pour tester l'influence de la triangularité du plasma. Pour la gamme de paramètres explorés, l'essentiel des variations du transport de l'énergie thermique est décrit par une diminution de la diffusivité thermique vers les triangularités négatives et vers les hautes collisionalités. En particulier, à collisionalité constante, le transport d'énergie thermique est deux fois plus faible pour une triangularité négative de –0.4 que pour une triangularité positive de +0.4. Par ailleurs, les simulations gyro-fluides et gyro-cinétiques indiquent la présence des instabilités TEM et ITG. Les prédictions de ces simulations sont en bon accord qualitatif avec les dépendances expérimentales du transport d'énergie thermique observées et suggèrent que l'instabilité TEM joue un rôle prépondérant dans le transport d'énergie thermique des plasmas étudiés. L'étude expérimentale effectuée fournit des bases solides pour tester les simulations du transport d'énergie thermique et apporte notamment des éléments nouveaux tels que la saturation du transport d'énergie thermique pour les fortes valeurs du gradient normalisé de température et la dépendance en triangularité.